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现代工程材料学：性能、应用与可持续发展 作者： 佚名（为避免内容重复，此处不使用任何可能与“铁路选线设计”相关的作者信息） 出版社： 华夏科技出版社 出版日期： 2024年5月 ISBN： 978-7-5678-9012-3 --- 内容简介 《现代工程材料学：性能、应用与可持续发展》是一部全面、深入探讨当代工程领域核心材料科学与工程原理的专著。本书旨在为材料工程师、机械设计师、土木工程师、研发人员以及相关专业高年级本科生和研究生提供一个清晰、系统且与时俱进的学习框架，涵盖从基础微观结构到宏观性能的转化规律，并重点关注新材料的开发趋势和环境可持续性挑战。 全书共分十六章，结构严谨，逻辑清晰，以材料的本征属性为出发点，逐步深入到复杂的工程应用环境，最终聚焦于面向未来的可持续解决方案。 --- 第一部分：材料科学基础与性能表征 (第1章 - 第5章) 本部分奠定了材料科学的理论基石，强调理解材料的原子结构如何决定其宏观力学、热学及电学性能。 第1章：工程材料概论与微观结构 本章首先界定了工程材料的分类体系（金属、陶瓷、聚合物、复合材料及其智能材料），并详细阐述了晶体结构、晶格缺陷（点缺陷、线缺陷、面缺陷）的形成与运动对材料性能的决定性影响。着重分析了晶界在材料力学行为中的作用，尤其是在高强度钢和超细晶粒材料中的意义。 第2章：热力学与相图原理 深入探讨了材料体系的热力学基础，包括吉布斯自由能、化学势以及相平衡的条件。重点解析了二元合金相图（如Fe-C系、Cu-Ni系）的绘制与解读方法，讲解了固溶处理、析出强化和相变动力学，为后续的热处理工艺奠定理论基础。 第3章：力学性能测试与断裂机理 本章详细介绍了拉伸、压缩、弯曲、扭转等常规力学性能测试的标准和数据分析方法。核心内容聚焦于材料的塑性变形机制（位错运动）、屈服准则，以及关键的断裂力学概念，包括应力强度因子（K）、断裂韧性（$ ext{K}_{ ext{Ic}}$）和弹塑性断裂参数（如J积分）。特别引入了疲劳断裂的S-N曲线分析和低周疲劳寿命评估模型。 第4章：电学、磁学与光学性能 本章超越了传统的力学性能，探讨了材料在电磁场和光照下的响应。详细阐述了导体、半导体和绝缘体的能带理论模型。在磁学方面，区分了顺磁、抗磁、铁磁和亚铁磁材料的微观机理，并介绍了软磁材料在电磁设备中的应用。光学部分着重于透明陶瓷和光纤材料的折射率、吸收与散射特性。 第5章：环境相互作用与材料降解 本章关注材料在实际工作环境中的稳定性。深入分析了腐蚀（电化学腐蚀、应力腐蚀开裂、氢脆）的机理和防护技术，如阴极保护和缓蚀剂应用。此外，还讨论了高温氧化、蠕变行为，以及聚合物材料的热老化和光降解过程。 --- 第二部分：关键工程材料的深度剖析 (第6章 - 第10章) 本部分将理论知识应用于具体的材料类别，分析其结构-性能-加工的综合优化。 第6章：高性能结构钢与合金 专注于现代钢铁冶金的成就，包括超高强度钢（UHSS）、先进高强度钢（AHSS）和马氏体/贝氏体钢（M/B钢）。解析了淬火-回火工艺对组织调控的精确性，以及这些材料在汽车轻量化和重型机械中的应用案例。 第7章：有色金属与特种合金 涵盖了铝合金（重点是航空航天用2系、7系）、钛合金和镁合金。对比分析了它们在密度、比强度和耐蚀性方面的优劣。特种合金部分着重于高温合金（镍基、钴基）的定向凝固技术和晶界强化机制。 第8章：先进陶瓷材料 系统介绍结构陶瓷（如SiC、$ ext{Al}_2 ext{O}_3$、$ ext{ZrO}_2$）的制备工艺（如压实、烧结、热压）及其固有的脆性问题。探讨了增韧技术，如氧化锆的相变增韧机理，以及它们在极端温度和磨损工况下的应用。 第9章：聚合物与弹性体工程 深入解析了高分子材料的分子量分布、链结构（结晶度与无定形区）对机械性能的影响。区分了热塑性塑料与热固性树脂的加工特性。重点讨论了工程塑料（如PEEK、聚酰亚胺）的耐化学性和耐热性，并分析了橡胶硫化过程的化学动力学。 第10章：先进复合材料的结构设计 系统论述了纤维增强复合材料（FRC）和颗粒增强复合材料（PRC）的力学行为。详细分析了各向异性特性、界面结合的临界重要性，并对比了玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维作为增强体的性能差异。涉及层合板的经典层合理论（CLT）应用。 --- 第三部分：材料加工、连接与新兴技术 (第11章 - 第16章) 本部分关注如何将材料转化为最终产品，以及面向未来的材料创新方向。 第11章：材料成形工艺与微观结构控制 本章分析了塑性加工（锻造、轧制、挤压）过程中的应变累积与动态/静态回复现象。讨论了铸造过程中的枝晶生长控制、凝固收缩缺陷的预防，以及增材制造（3D打印）对材料微观结构（如各向异性、残余应力）的独特影响。 第12章：材料连接技术 涵盖了传统的焊接方法（熔焊、压焊）及其对热影响区（HAZ）的冶金影响。深入研究了先进连接技术，如搅拌摩擦焊（FSW）在铝合金和异种材料连接中的优势，以及结构胶粘剂在现代工程中的选择标准。 第13章：表面工程与涂层技术 重点讨论如何通过表面改性来提升材料的服役性能。详细介绍热扩散、离子注入、渗碳/渗氮等强化技术。对功能性涂层（如抗反射涂层、硬质涂层）的沉积方法（PVD, CVD）及其粘附力测试进行专业解析。 第14章：智能与功能材料 本章面向前沿研究，探讨具有特定刺激响应性的材料。详细介绍压电材料（PZT陶瓷）的机理与应用、形状记忆合金（SMA）的马氏体相变，以及电活性聚合物（EAP）在软机器人中的潜力。 第15章：计算材料学与材料基因组计划 介绍了利用计算工具预测材料性能的方法论，包括分子动力学模拟（MD）、第一性原理计算（DFT）在缺陷形成能计算中的应用。讨论了如何通过高通量计算和数据挖掘加速新材料的发现过程。 第16章：可持续工程材料与循环经济 本书的收尾部分聚焦于环境责任。分析了材料的生命周期评估（LCA）方法，探讨了材料的资源效率和可回收性。内容涉及轻量化设计对能源消耗的总体影响、生物基材料的研发挑战，以及贵金属和稀土材料的替代方案。 --- 目标读者对象 本书内容严谨，图表丰富，专业术语解释到位，是材料工程、机械工程、航空航天工程、能源工程等领域科研人员、资深工程师和高校师生的必备参考书。 本书特点： 体系完整： 覆盖从原子尺度到宏观应用的全链条知识体系。 前沿性强： 融合了增材制造、智能材料和可持续发展等最新研究热点。 应用导向： 理论结合大量实际工程案例，便于读者将知识转化为解决实际问题的能力。
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